第三章电感传感器课件

本章学习本章学习自感式自感式电感传感器和电感传感器和互感互感式式（差动变压器差动变压器）电感传感器，介绍他电感传感器，介绍他们的们的结构结构、工作原理工作原理、测量电路测量电路以及以及。第三章第三章 电感传感器电感传感器 利用利用电磁感应原理电磁感应原理将被测非电量（位移、压将被测非电量（位移、压力、流量、振动等）转换成线圈力、流量、振动等）转换成线圈自感量自感量 L 或或互互感量感量 M 的变化，再由的变化，再由测量电路测量电路转换为电量（电转换为电量（电压、电流）的变化量输出的装置。压、电流）的变化量输出的装置。优点优点：结构简单，工作可靠，测量精度高：结构简单，工作可靠，测量精度高(1m)，零点稳定，输出功率较大。，零点稳定，输出功率较大。缺点缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量不适用于快速动态测量。检测机理：检测机理：第一节第一节 自感式传感器自感式传感器 小实验小实验F F220V220V准备工作准备工作气隙变小，电感变大，电流变小。气隙变小，电感变大，电流变小。F F电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示 当将一只当将一只380V380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到控制变压器的接到控制变压器的36V36V交流电压源上，这时毫安表的示交流电压源上，这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。剩下十几毫安。当铁心的当铁心的气隙较大气隙较大时，磁路的磁阻时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈也较大，线圈的电感量的电感量L和感抗和感抗XL 较小，所以电流较小，所以电流I 较大。较大。当铁心闭合时，当铁心闭合时，气隙变小气隙变小，磁阻变小、电感变大，磁阻变小、电感变大，电流减小。电流减小。一、一、工作原理工作原理 变变磁磁阻阻式式自自感感传传感感器器由由线线圈圈、铁铁芯芯和和衔衔铁铁三三部部分分组组成成。铁铁芯芯和和衔衔铁铁由由导导磁磁材材料料（硅硅钢钢片片、坡坡莫莫合合金金）制制成成，铁铁芯芯和和衔衔铁铁之之间间有有气气隙隙，厚厚度度为为，传传感感器器的的运运动动部部分分与衔铁相连。与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙当衔铁移动时，气隙厚度厚度发生改变，引起磁路发生改变，引起磁路中中磁阻磁阻变化，从而导致电变化，从而导致电感线圈的感线圈的电感值电感值变化，因变化，因此只要能测出这种电感量此只要能测出这种电感量的变化的变化量量，就能确定衔铁，就能确定衔铁位移量的位移量的大小大小。自感传感器的工作原理自感传感器的工作原理根据电磁感应定义，线圈中电感量可由下式确定：根据电磁感应定义，线圈中电感量可由下式确定：式中：式中：线圈总磁链；线圈总磁链；I I通过线圈的电流；通过线圈的电流；N N线圈的匝数；线圈的匝数；穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，由磁路欧姆定律，得：得：式中：式中：RmRm磁路总磁阻。磁路总磁阻。因因为为气气隙隙很很小小，所所以以可可以以认认为为气气隙隙中中的的磁磁场场是是均均匀匀的的。若忽略磁损，则磁路总磁阻为：若忽略磁损，则磁路总磁阻为：式中式中:1 1-铁芯材料的导磁率；铁芯材料的导磁率；2 2-衔铁材料的导磁率；衔铁材料的导磁率；l1 1-磁通通过铁芯的长度；磁通通过铁芯的长度；l2 2-磁通通过衔铁的长度；磁通通过衔铁的长度；A A1 1-铁芯的截面积；铁芯的截面积；A A2 2-衔铁的截面积；衔铁的截面积；0 0-空气的导磁率；空气的导磁率；-气隙的厚度；气隙的厚度；A A0 0-气隙的截面积。气隙的截面积。通通常常 ，气气隙隙磁磁阻阻远远大大于于铁铁芯芯和和衔衔铁铁的的磁磁阻阻，即：即：可近似为：可近似为：联立可得：联立可得：上式表明，当线圈匝数为常数时上式表明，当线圈匝数为常数时,电感电感L L仅仅是磁仅仅是磁路中磁阻路中磁阻R Rm m的函数，只要改变的函数，只要改变、A A0 0或或0 0 均可导致电均可导致电感变化。因此，感变化。因此，变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器、变气隙面积的传感器、变气隙面积A A0 0的传感器和变磁导率的传感器和变磁导率0 0的传的传感器。感器。使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。式电感传感器。自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 请分析电感量请分析电感量L与气隙厚度与气隙厚度、气隙的有效截面积、气隙的有效截面积A及及材料磁导率材料磁导率之间的关系，并讨论有关线性度的问题。之间的关系，并讨论有关线性度的问题。设设电电感感传传感感器器初初始始气气隙隙为为0 0,初初始始电电感感量量为为L L0 0,衔衔铁铁位位移移引引起起的的气气隙隙变变化化量量为为，从从下下式式可可知知L L与与之之间是间是非线性关系非线性关系。特性曲线如下图，初始电感量为：。特性曲线如下图，初始电感量为：变隙式变隙式电感传感器的电感传感器的输出特性输出特性当衔铁上移当衔铁上移时：时：当衔铁下移当衔铁下移时：时：作线性处理，即忽略高次项后，作线性处理，即忽略高次项后，可得：可得：灵敏度为：灵敏度为：请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、线性度有何变化线性度有何变化曲线曲线1 1、2 2为为L L1 1、L L2 2 的特性，的特性，曲线曲线3 3为差动特性为差动特性 在变隙式差动电感传感在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。减小，形成差动形式。1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点变气隙式差动电感传感器结构及工作原理变气隙式差动电感传感器结构及工作原理 当当衔衔铁铁上上移移时时，上上部部分分铁铁心心与与衔衔铁铁的的气气隙隙减减小小。即即=0 0-，则则此此时时输输出出电电感感为为L=L=L L0 0+L+L，代代入入上上式式式式并并整整理，得：理，得：当当/01/0R R，则有，则有ZZ1 1+Z Z2 2jj(L L1 1+L L2 2)，差动交流桥式电路差动交流桥式电路一、一、交流桥式测量电路交流桥式测量电路 灵敏度灵敏度K K0 0为：为：电桥输出电压与电桥输出电压与成正比关系：成正比关系：电桥输出电压为：电桥输出电压为：忽略高次项得：忽略高次项得：测量时被测件与传感测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器的器衔铁相连，当传感器的衔铁处于中间位置，即衔铁处于中间位置，即Z Z1 1=Z Z2 2=Z Z时有时有 ，电桥，电桥平衡。平衡。下图电路为变压器式交流电桥测量电路，电桥两臂、下图电路为变压器式交流电桥测量电路，电桥两臂、分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为：当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为：差动变压器式交流电路差动变压器式交流电路二、二、变压器式交流电桥测量电路变压器式交流电桥测量电路当传感器衔铁当传感器衔铁上移上移时，如时，如Z Z1 1=Z Z+Z Z，Z Z2 2=Z Z-Z Z，此时此时 当传感器衔铁当传感器衔铁下移下移时，如时，如Z Z1 1=Z Z-Z Z，Z Z2 2=Z Z+Z Z，此时，此时 由以上分析可知，这两种交流电桥输出的空载电压由以上分析可知，这两种交流电桥输出的空载电压相同，且当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大相同，且当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。由于输入是交流电压，输出指示无小相等而相位相反。由于输入是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合法判断位移方向，必须配合相敏检波电路相敏检波电路来解决。来解决。第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 电源中用到的电源中用到的“单相变压器单相变压器”有一个一次线圈（又有一个一次线圈（又称称初级线圈初级线圈），有若干个二次线圈（又称），有若干个二次线圈（又称次级线圈次级线圈）。）。当一次线圈加上交流激磁电压当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产后，将在二次线圈中产生感应电压生感应电压UO。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线圈的电压之和。总电压等于两个二次线圈的电压之和。差动变压器的结构原理如下图所示。在线框上绕有差动变压器的结构原理如下图所示。在线框上绕有一组输入线圈一组输入线圈(称一次线圈称一次线圈)；在同一线框的上端和下端；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈再绕制两组完全对称的线圈(称二次线圈称二次线圈)，它们，它们反向串反向串联联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的端，通俗说法是指线圈的“头头”。差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的圈与二次线圈间的互感量互感量M M 的变化的装置。当一次线圈的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用两个二次线圈采用差动接法差动接法，故称为差动变压器。目前，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是应用最广泛的结构型式是螺线管螺线管式差动变压器。式差动变压器。差动变压器式传感器的等效电路差动变压器式传感器的等效电路结构特点结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。差动变压器的差动变压器的灵灵敏度敏度一般可达一般可达0.5-0.5-5V/mm5V/mm，行程越小，灵，行程越小，灵敏度越高。敏度越高。为了提高灵敏度，为了提高灵敏度，励磁电压在励磁电压在10V10V左右为左右为宜。电源频率以宜。电源频率以1-1-10kHz10kHz为好。为好。差动变压器差动变压器线性线性范围范围约为线圈骨架长约为线圈骨架长度的度的1/101/10左右左右。等效电路等效电路螺线管式差动变压器的输出特性螺线管式差动变压器的输出特性 根据电磁感应定律，根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表次级绕组中感应电势的表达式分别为：达式分别为：基本特性基本特性 差动变压器等效电路如右图。当次级开路时有：差动变压器等效电路如右图。当次级开路时有：等效电路等效电路 由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得：由以上关系可得：输出电压的有效值为输出电压的有效值为:上式说明，上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。因此，因此，只要求出互感和对活动衔铁位移只要求出互感和对活动衔铁位移x x的关系式，即可得到螺的关系式，即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。线管式差动变压器的基本特性表达式。与与 同极性。同极性。与与 同极性。同极性。下面分三种情况进行分析：下面分三种情况进行分析：1 1、活动衔铁处于、活动衔铁处于中间位置中间位置时时 则则 2 2、活动衔铁、活动衔铁向上移动向上移动时时 则则 3 3、活动衔铁、活动衔铁向下移动向下移动时时则则 测量电路测量电路(以差动整流为例以差动整流为例)差动整流的特点差动整流的特点 图中的图中的RP是用来微调电路平衡的，是用来微调电路平衡的，VD1-VD4、VD5-VD8 组成普通桥式整流电路，组成普通桥式整流电路，3、4、3、4组成低通滤波电路，组成低通滤波电路，1及及21、22、f、23组成差动减法放大器，用于克服组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共两点的对地共模电压。模电压。电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映反映位移的大小位移的大小(电压的幅值电压的幅值)，还可以反映，还可以反映位移位移的方向的方向(电压的极限电压的极限)。第三节第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量一、位移测量 轴向式电感测微器的外形轴向式电感测微器的外形 红宝石测头红宝石测头航空插头航空插头测头测头轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构11引线电缆引线电缆22固定磁筒固定磁筒 33衔铁衔铁44线圈线圈 55测力弹簧测力弹簧66防转销防转销 77钢球导轨钢球导轨88测杆测杆99密封套密封套 1010测端测端1111被测工件被测工件1212基准面基准面 圆柱滚子圆柱滚子测微仪测微仪电感式滚柱电感式滚柱(珠珠)直径分选装置直径分选装置 滚柱滚柱(珠珠)分选装置分选装置11气缸气缸 22活塞活塞 33推杆推杆 44被测滚柱被测滚柱 55落料管落料管 66电感测微器电感测微器 77钨钢测头钨钢测头 88限位挡板限位挡板 99电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗）滑道滑道分选仓位分选仓位电感式滚柱直径分选装置（外形）电感式滚柱直径分选装置（外形）落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位二、电感传感器在仿形机床中的应用二、电感传感器在仿形机床中的应用 11标准靠模样板标准靠模样板 22测端测端(靠模轮靠模轮)3)3电感测微器电感测微器 44铣刀龙门框架铣刀龙门框架 55立柱立柱 66伺服电动机伺服电动机 77铣刀铣刀 88毛坯毛坯仿形铣床外形仿形铣床外形 仿形头仿形头主主轴轴仿形机床采用仿形机床采用 闭环工作方式闭环工作方式三、电感式不圆度计原理三、电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旋转盘旋转盘测量头测量头旁向式电感测微头旁向式电感测微头不圆度测量打印不圆度测量打印电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁旁向向式式电电感感测测微微头头四、压力测量四、压力测量 11压力输入接头压力输入接头22波纹膜盒波纹膜盒33电缆电缆44印制线路板印制线路板55差动线圈差动线圈66衔铁衔铁77电源变压器电源变压器88罩壳罩壳99指示灯指示灯1010密封隔板密封隔板1111安装底座安装底座五、电感传感器在粗糙度测量中的应用五、电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪手持式粗糙度仪 触针触针:金刚石圆锥；金刚石圆锥；针尖圆弧半径：针尖圆弧半径：5m5m；可存储可存储500500个粗糙度参数值及个粗糙度参数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打印；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂 表面进行测试；表面进行测试；粗糙度仪外形粗糙度仪外形金刚石测头金刚石测头粗糙度测量结果打印粗糙度测量结果打印本章作业本章作业第第3 3、第、第4 4、第、第6 6题题